JP2685252B2 - 半導体レーザー光学系用開口絞り - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体レーザー光学系用開口絞りに関する。

［従来の技術］ 半導体レーザー光源から放射される単色もしくは準単
色の光は、周知の如くガウス型の強度分布を持ち、これ
を集光光学系で結像面上に集光させた場合、その集光ス
ポット径は集光光学系に入射するレーザー光束の光束径
により定まる。

レーザー光束を集光させることはレーザーによる光走
査装置等で行なわれているが、結像面たる走査面上に所
望のスポット形状を得るため、従来は、例えば主走査対
応方向に長く、副走査対応方向に短い矩形状の開口部を
持つ開口絞りを光源と集光光学系との間に配備してい
た。

第２図は、このような光走査装置の１例を要部のみ略
示している。

半導体レーザー１からの発散性の光はコリメートレン
ズ２により平行光束化され、開口絞り３を通ることによ
り光束の断面形状を規制され、シリンドリカルレンズ４
に入射し、同レンズ４の作用にて直線状に結像する。そ
の像の長手方向は、第２図に於いて図面上下方向であ
る。続いてレーザー光束は、上記直線状の結線位置の近
傍に反射面を有する回転多面鏡等の偏向器５により偏向
され、ｆθレンズ等の結像レンズ６に入射し、同レンズ
６の作用にて走査面７上にスポット状に集光される。

［発明が解決しようとする課題］ 上記の如き光走査装置に於いて、１個のLDの発光によ
る半導体レーザ光学系では、従来は前述のように、矩形
形状の開口部を有する開口絞りを用い、その開口形状の
長手方向を主走査方向（第２図で上下方向）に対応さ
せ、短手方向を副走査方向（第２図の図面に直交する方
向）に対応させている。このような開口絞りを用いる
と、走査面上でのレーザー光束の集光状態は必ずしも良
好なものとならない。

因みに、第２図における結像レンズ６が焦点距離100m
m、F_NO.105.5のｆθレンズのとき主走査方向の長さが2.
05mmで副走査方向の長さが1.22mmの矩形形状の開口部を
有する開口絞りを第２図の如き光走査装置に使用した場
合に於ける走査面上のA,B,Cの各点に於ける集光状態は
第３図に示す如きものとなる。

第３図に於いて、（Ａ−１），（Ｂ−１），（Ｃ−
１）の各図は 上記A,B,C点に於ける集光状態を３次元表現で示して
いる。また、同図中の（Ａ−２），（Ｂ−２），（Ｃ−
２）の各図は、同じくA,B,Cの各点における上記集光状
態の強度分布をピーク値を100と規格化して等高線図即
ち、光強度の等しい位置を10きざみの等高線として表示
したものである。図の上下方向はメリディオナル方向即
ち主走査方向であり、左右方向がサジタル方向即ち副走
査合方向である。

この第３図から分かるように、レーザー光は走査面上
に於いて複数箇所に分散して集光した状態となってお
り、このようなスポットで書込み走査を行なうと、例え
ば解像性などは設計上から期待されるほどのものが得ら
れなくなる。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであっ
て、その目的とする所は、レーザー光束の集光性を向上
させ得る新規な半導体レーザー光学系用開口絞りの提供
にある。

［課題を解決するための手段］ 以下、本発明を説明する。

本発明の半導体レーザー光学系用開口絞りは、「半導
体レーザー光学系に於いて、レーザー光を結像面上に良
好に集光させるために、半導体レーザー光源と集光光学
系との間に配備されてレーザー光束を絞る開口絞り」で
あって、以下の如き特徴を有する 即ち、請求項１の発明では、この開口絞りは開口部縦
横を所定の寸法に定められ、且つ、その開口形状がｎ≧
３として2n角形、もしくは小判型、もしくは楕円形に形
成される。

また、請求項２の発明では、上記開口絞りは、所定の
辺縁形状を有する複数の遮光板もしくはブロックで構成
され、これら複数の遮光板もしくはブロックを重ね合わ
せもしくは組み合わせて、各辺縁形状の組み合わせによ
り所望の開口形状を形成する。

［作用］ 矩形形状の開口部を持つ従来の開口絞りで、集光状態
が悪く、結像面での集光位置が複数に分散する原因は光
の回折効果によるものと考えられる。レーザ光束におけ
る光の強度分布は前述の如くガウス型の分布であり、光
束をその進行方向に直交する面で切断した状態を考える
と、この光束断面において光強度の等高線は半導体レー
ザーの場合楕円形状となっている。このような光強度分
布を持つレーザー光束の光束形状を、開口部が矩形形状
である開口絞りで規制すると、矩形形状の４隅の部分で
の回折が顕著に影響して、上述のような集光性の劣化を
もたらす。

従って、上記回折による悪影響を軽減するには、開口
絞りにおける開口形状をレーザー光束の光束断面におけ
る光強度の等高線形状になるべく近い形状とすることが
望ましい。半導体レーザーの場合、上記光強度分布の等
高線形状は楕円形であるから、開口絞りの開口形状もな
るべく楕円に近い形状が良い。

第１図（Ａ−Ｉ）乃至（Ａ−IV）に、このような開口
形状の例を４例示す。同図（Ａ−Ｉ）は、８角形形状、
（Ａ−II）は６角形形状、（Ａ−III）は楕円形状、
（Ａ−IV）は小判形状である。第１図の上下方向は開口
絞りの縦方向、左右方向が横方向であり、開口部の縦横
方向の寸法は、レーザー光束をどのように集光させるか
により設計値として定められる。第１図（Ａ−Ｉ），
（Ａ−II）の形状は何れも、回折現象を引き起こしやす
い矩形状の開口の４隅を面取りした形状と考えられ、こ
れにより回折現象の軽減されることが理解されるであろ
う。回折現象の軽減という観点からは、同図（Ａ−Ｉ）
の８角形形状の方が（Ａ−II）の６角形形状よりも効果
的と考えられ、さらに10角形、12角形と角数の増加とと
もに回折現象軽減の効果が大きくなるものと考えられ
る。第１図（Ａ−IV）の小判型は上記角数を無限に増や
して、矩形の４隅を丸く面取りした場合に相当する。さ
らに第１図（Ａ−III）は矩形形状を全体的に面取りし
て楕円形状にしたものと考えられ、この形状が最も効果
的である。

このような開口形状を実現するのに、第１図の（Ａ−
Ｉ）乃至（Ａ−IV）の形状等を単一の遮光板に穿設して
も良いが、所定の辺縁形状を有する複数の遮光板もしく
はブロックを重ね合わせもしくは組み合わせて、各辺縁
形状の組み合わせにより所望の開口形状を形成しても良
い。ここに、「複数の遮光板もしくはブロックを重ね合
わせもしくは組み合わせ」るとは、「遮光板同士を重ね
あわせること」、「ブロック同士を組合せること」およ
び「ブロック同士の組み合わせに遮光板を重ね合わせる
こと」を意味する。

第１図の（Ｂ−Ｉ）乃至（Ｂ−VIII）にこのような場
合の具体的な例を８例示す。

第１図（Ｂ−Ｉ）は、台形形状の切り欠き部により台
形状の辺縁形状を有する２枚の遮光板301,302を重ね合
わせ、上記辺縁形状の組み合わせにより６角形形状の開
口形状を実現した例である。また、同図（Ｂ−II）は、
内角の一つを鈍角とした４辺形形状の遮光板303,304,30
5を重ね合わせ、鈍角部分の辺縁形状を組み合わせるこ
とにより６角形形状の開口形状を実現した例である。第
１図（Ｂ−III）は、長方形形状の遮光板306〜311を重
ね合わせ、各遮光板の直線状の辺縁形状を組み合わせて
６角形形状の開口形状を実現した例である。

また、第１図（Ｂ−IV）は、長方形形状の遮光板312,
313と、第１図（Ｂ−Ｉ）に示したのと類似形状の遮光
板314,315を図のように重ね合わせ８角形形状の開口形
状を実現した例である。同（Ｂ−Ｖ）は、内角の一つを
鈍角とし、これに隣接する内角の一つを鋭角とし、他の
３つの内角を直角とした特殊な５角形形状の遮光板318
〜321の４枚と、長方形形状の遮光板316,317とを図のよ
うに重ね合わせ、遮光板318〜321の鈍角部分の辺縁形状
と、遮光板316,317の直線状の辺縁形状の組み合わせで
８角形形状の開口形状を実現した例である。第１図（Ｂ
−VI）は８枚の長方形形状の遮光板322〜329を重ね合わ
せて、直線状の辺縁形状の組み合わせで８角形形状の開
口形状を実現した例である。

さらに、第１図（Ｂ−VII）は、円形状の切り欠きに
より辺円形状を形成された遮光板330,331を重ね合わせ
て楕円類似の開口形状を実現した例であり、同（Ｂ−VI
II）は、曲率半径の大なる楕円弧形状の辺縁形状を持つ
遮光板332,333と、曲率半径小なる楕円弧形状の辺縁形
状を持つ遮光板334,335を図の如く重ね合わせて、矢張
り楕円類似の開口形状を実現した例である。遮光板330,
331の辺縁形状は、円弧状に変えて楕円弧状としても良
いし、遮光板332,333,334,335の辺縁形状は、これを円
弧形状としても良いことは言うまでもない。

遮光板に変えてブロックの組み合わせによっても上記
の如き開口形状を実現できることは容易に理解されるで
あろう。

この請求項２の発明のように、複数の遮光板、ブロッ
クの重ね合わせ、組み合わせで開口形状を実現する場合
は、組み合わせ状態や重ね合わせ状態を調整することに
より開口形状を調整できる。

［実施例］ 以下、具体的な実施例に即して説明する。

実施例１ 第２図の光走査装置の結像レンズ６に前述の焦点距離
100mm、F_NO.105.5のｆθレンズを用い、開口絞りとし
て、開口形状が第１図（Ａ−III）の如き楕円形のもの
を採用した。長径は1.025mm、短軸の長さは0.608mmであ
る。縦方向を主走査方向、即ち第２図の上下方向に平行
になるようにして配置した。このとき、走査面７のA,B,
Cの各点に於ける集光状態を第４図に示す。（Ａ−
１），（Ｂ−１），（Ｃ−１）の各図は、第３図に於け
ると同じく集光状態を光強度の３次元表現で表したもの
であり、（Ａ−２），（Ｂ−２），（Ｃ−２）の各図は
光強度のピーク値を100に規格化して光強度分布を等高
線図として示したものである。第４図の上下方向がメリ
ディオナル方向、左右方向がサジタル方向である。

この第４図を第３図と比較すれば、開口形状を楕円形
状とすることにより、光強度の分布の纏まりが良くな
り、集光性が格段と向上したことが明かに分かる。

このように、開口絞りの開口形状を工夫して開口絞り
による回折現象を軽減することにより、集光特性の向上
が図れるが、開口形状を本発明の如くにすることによ
り、以下の如き別種の効果も得られる。

即ち、従来の矩形形状の開口部を持つ開口絞りは、第
２図の如き光学系で使用されると、シリンドリカルレン
ズ４の配設の位置誤差の影響を受け易い。しかるに本発
明の開口絞りを用いると上記位置誤差の影響を有効に軽
減できるのである。

矩形形状の開口を持つ従来の開口絞りを用いた場合に
於いて、シリンドリカルレンズ４がその光軸を回転軸と
して回転した状態となつた場合、即ち、シリンドリカル
レンズ４の母線方向の主走査方向に対する平行度に誤差
が生じた場合、走査面上のA,B,C点での集光状態は第５
図に示す如きものとなる。第５図の各図は、第３図の各
図と同じ要領で描かれている。第３図の場合と比べ、シ
リンドリカルレンズ４の平行度誤差により集光状態が顕
著に影響を受け、スポット形状が大きく変化しているの
が分かる。

これに対し、上記実施例の開口絞りを用いると、シリ
ンドリカルレンズ４の平行度に同じ誤差があっても、集
光状態は第６図に示す如きものとなり、平行度誤差の影
響は有効に軽減されている。また、矩形形状の開口の開
口絞りを第２図の光学系に用いた場合、シリンドリカル
レンズ４がサジタル方向即ち副走査対応方向にシフトし
た場合、換言すれば副走査対応方向の位置誤差がある場
合、走査面上での集光状態は第７図の如きものとなる。
然るに実施例の開口絞りを用いると、走査面上の集光状
態は第８図の如きものとなる。

第7,8図は何れも第３〜６図と同じ要領で描かれてい
るが、第８図を第７図と比較することにより、実施例の
開口絞りではシリンドリカルレンズ４のサジタル方向の
位置誤差の影響が小さいことが分かる。

実施例２ また、実施例１におけると同じｆθレンズを用い、第
１図（Ｂ−Ｉ）に示すように、台形形状の辺縁形状を有
する遮光板301,302の重ね合わせにより、主走査対応方
向の幅ａが1.83mm、副走査対応方向の幅ｂが1.08mmの６
角形形状の開口形状とした場合に於ける、走査面７上の
A,B,Cの各点に於ける集光状態を第９図に示す。

第９図（Ａ−１），（Ｂ−１），（Ｃ−１）の各図
は、第３図に於けると同じく集光状態を光強度の３次元
表現で表したものであり、（Ａ−２），（Ｂ−２），
（Ｃ−２）の各図は光強度のピーク値を100に規格化し
て光強度分布を等高線図として示したものである。第９
図の上下方向がメリディオナル方向、左右方向がサジタ
ル方向である。

この第９図から明らかなように、開口形状を第１図
（Ｂ−Ｉ）の形状とすることにより、光強度の分布の纏
まりが一段と向上し、集光性が格段と向上している。

また、この実施例２の場合に於いてシリンドリカルレ
ンズ４が光軸の回りに微小角回転して平行度誤差が生じ
た場合の走査面上のA,B,C点での集光状態は第10図に示
す如きものとなる。平行度誤差の影響は、実施例１の場
合（第６図）と同様有効に軽減されている。

また、実施例２の場合にシリンドリカルレンズ４がサ
ジタル方向即ち副走査対応方向にシフトした場合、換言
すれば副走査対応方向の位置誤差がある場合、走査面上
での集光状態は第11図の如きものとなる。実施例１の場
合（第８図）と同様に、シリンドリカルレンズ４のサジ
タル方向の位置誤差の影響が小さいことが分かる。

実施例３ また実施例１におけると同じｆθレンズを用い、第１
図（Ｂ−VII）に示すような、円弧形状の辺縁形状を有
する遮光板330,331の重ね合わせにより主走査対応方向
の幅ａが1.83mm、副走査対応方向の幅ｂが1.08mmの楕円
類似形状の開口形状とした場合に於ける、走査面７上の
A,B,Cの各点に於ける集光状態を第12図に示す。

第12図（Ａ−１），（Ｂ−１），（Ｃ−１）の各図
は、第３図に於けると同じく集光状態を光強度の３次元
表現で表したものであり、（Ａ−２），（Ｂ−２），
（Ｃ−２）の各図は光強度のピーク値を100に規格化し
て光強度分布を等高線図として示したものである。第12
図の上下方向がメリディオナル方向、左右方向がサジタ
ル方向である。

この第12図から明らかなように、開口形状を第１図
（Ｂ−VII）の形状とすることによっても、光強度の分
布の纏まりが一段と向上し、集光性も格段と向上してい
る。

また、この実施例３の場合に於いてシリンドリカルレ
ンズ４が光軸の回りに微小角回転して平行度誤差が生じ
た場合の走査面上のA,B,C点での集光状態は第13図に示
す如きものとなる。平行度誤差の影響は、実施例1,2の
場合（第６図，第10図）と同様有効に軽減されている。

また、実施例３に於いてシリンドリカルレンズ４がサ
ジタル方向即ち副走査対応方向にシフトして副走査対応
方向に位置誤差が生じた場合、走査面上での集光状態は
第14図の如きものとなる。実施例1,2の場合（第８図，
第11図）と同様に、シリンドリカルレンズ４のサジタル
方向の位置誤差の影響が極めて小さいことが分かる。

［発明の効果］ 以上、本発明によれば半導体レーザー光学系用の新規
開口絞りを提供できる。

この半導体レーザー光学系用開口絞りは、上記の如き
構成となっているので、請求項1,2の発明とも回折によ
る集光性の劣化を有効に軽減し、レーザー光束を結像面
上に良好に集光させることが可能となる。従って、第２
図の如き光走査装置に用いれば書込み画像の鮮明度、解
像度等を有効に向上させることができるし、シリンドリ
カルレンズ等の組み付け精度にも余裕が得られる。ま
た、請求項２の発明では、開口形状を調整できるので他
の光学素子の誤差で走査面上での集光スポット径が目標
値と異なったような場合に簡単にスポット径の調整が可
能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の半導体レーザー光学系用開口絞りの
開口形状および、複数の遮光板の重ね合わせ等により形
成される開口形状の例を示す図、第２図は、半導体レー
ザー光学系用開口絞りを用いる半導体レーザー光学系の
１例としての光走査装置を要部のみ略示する図、第３図
ないし第14図は、集光状態を示す図である。 １……半導体レーザー、２……コリメートレンズ、３…
…半導体レーザー光学系用開口絞り、６……集光光学系
としての結像レンズ、７……結像面としての走査面、30
1〜335……遮光板

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体レーザー光学系に於いて、レーザー
   光を結像面上に良好に集光させるために、半導体レーザ
   ー光源と集光光学系との間に配備されてレーザー光束を
   絞る開口絞りであって、 開口部縦横を所定の寸法に定められ、且つ、その開口形
   状がｎ≧３として2n角形、もしくは小判型、もしくは楕
   円形であることを特徴とする半導体レーザー光学系用開
   口絞り。
2. 【請求項２】請求項１において開口絞りは所定の辺縁形
   状を有する複数の遮光板もしくはブロックの組み合わせ
   で構成され、これら複数の遮光板もしくはブロックを重
   ね合わせもしくは組み合わせ、各遮光板もしくはブロッ
   クの辺縁形状の組み合わせにより所望の開口形状を形成
   したことを特徴とする半導体レーザー光学系用開口絞
   り。